УТВЕРЖДАЮ
Директор института ИНК
___________
«____»_____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
КОНСТРУКЦИОННЫЕ И БИОМАТЕРИАЛЫ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: Биотехнические системы и технологии
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: Биотехнические и медицинские аппараты и системы
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 2; СЕМЕСТР 3;
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 2
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Физика», «Химия», «Прикладная механика»
КОРЕКВИЗИТЫ: дисциплины ЕНМ и ОП циклов «Электротехника и электроника», «Конструирование электронных медицинских приборов и аппаратов», «Измерительные преобразователи и электроды»
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции | 27 | часов (ауд.) |
Лабораторные занятия | 18 | часа (ауд.) |
Практические занятия | 9 | часов (ауд.) |
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ | 54 | часа |
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА | 36 | часов |
ИТОГО | 90 | часов |
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ | очная |
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЗАЧЕТ В 3 СЕМЕСТРЕ
Обеспечивающая кафедра: «Материаловедение и технология металлов»
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: к. т.н., доцент
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: к. т.н., доцент
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: к. ф.-м. н., доцент
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины бакалавр приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1 и Ц2 основной образовательной программы «Биотехнические системы и технологии».
Дисциплина нацелена на подготовку бакалавров к:
– производственно-технологической и проектно-конструкторской деятельности в сфере современных высокоэффективных биотехнических систем и технологий, предназначенных для контроля и управления состоянием живых систем и поддержания оптимальных условий трудовой деятельности человека;
– научно-исследовательской работе в области высокоэффективных процессов получения и обработки новых конструкционных и биоматериалов и изделий из них, связанной с выбором необходимых методов оценки, анализа и исследования структуры и физико-механических свойств;
– поиску и решению научно-исследовательских и прикладных задач, возникающих при проектировании, модернизации и разработке новой высокоэффективной биомедицинской и экологической техники.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла (Б3.Б6). Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного и математического цикла (физика, химия) и общепрофессионального цикла (прикладная механика) и опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения. Кореквизитами для дисциплины «Конструкционные и биоматериалы» являются дисциплины ЕНМ и ОП циклов: «Физика», «Методы обработки биомедицинской информации».
3. Результаты освоения дисциплины
При изучении дисциплины бакалавры должны научиться самостоятельно планировать проведение эксперимента, на основе анализа условий эксплуатации выбирать материал и способ изготовления деталей и изделий с использованием современных технологических процессов, выбирать оптимальные методы исследований структуры и свойств материалов, проводить математическую обработку полученных экспериментальных результатов, анализировать техническую информацию в области материаловедения и технологии конструкционных и биоматериалов.
После изучения данной дисциплины бакалавры приобретают знания, умения и опыт, соответствующие результатам основной образовательной программы: Р1, Р2, Р3, Р5*. Соответствие результатов освоения дисциплины «Конструкционные и биоматериалы» формируемым компетенциям ООП представлено в таблице 1.
Таблица 1
Планируемые результаты обучения
Формируемые компетенции в соответствии с ООП* | Результаты освоения дисциплины |
З.1.1, З.1.2, З.1.3, З.2.2, З.3.1, З.3.3, З.5.1, З.5.2, З.5.3. | В результате освоения дисциплины бакалавр должен знать: экспериментальные и теоретические методы исследования структуры и физико-механических свойств конструкционных и биоматериалов; современные технологии обработки экспериментальных данных; принципы и этапы планирования научно-исследовательской работы; критерии выбора материалов при проектировании и создании приборов и аппаратов медицинского назначения; степень их надежности и безопасности. |
У.1.1, У.1.2, У.2.2, У.3.1, У.5.1, У.5.2, У.5.3. | В результате освоения дисциплины бакалавр должен уметь: планировать, проводить и критически оценивать результаты экспериментальной исследовательской работы; проводить предварительное технико-экономическое обоснование проектных решений; выявлять достоинства и недостатки известных технических решений; интегрировать различные методы и методики экспериментальных исследований для анализа физико-механических свойств новых материалов и изделий из них; составлять аналитические обзоры по научно-технической тематике. |
В.1.1, В.1.2, В.1.3, В.3.2, В.3.3, В.5.1, В.5.2. | В результате освоения дисциплины бакалавр должен владеть: опытом работы, навыками выбора и критериями оценки оптимальных методик и оборудования для исследований; современными методами обработки результатов; навыками оценки конкурентных преимуществ и элементами предварительного технико-экономического обоснования принятых инженерных проектных решений; опытом использования в ходе проведения исследований научно-технической информации, Internet-ресурсов, баз данных и каталогов, электронных журналов и патентов, поисковых ресурсов и др. |
*Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых компетенций представлены в ФГОС и ООП подготовки бакалавров по направлению 201000 «Биотехнические системы и технологии».
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:
1.Универсальные (общекультурные) – ОК
способностью владеть культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);
способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
способностью владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-12).
2. Профессиональные – ПК
общепрофессиональные компетенции:
способностью представить адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики (ПК-1);
способностью выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-2);
способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);
способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);
проектно-конструкторская деятельность:
способностью проводить предварительное технико-экономическое обоснование проектов биомедицинской и экологической техники (ПК-8);
способностью осуществлять сбор и анализ исходных данных для расчета и проектирования деталей, компонентов и узлов биотехнических систем, биомедицинской и экологической техники (ПК-9);
готовностью осуществлять контроль соответствия разрабатываемых проектов и технической документации на изделия и устройства медицинского и экологического назначения стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам (ПК-12).
производственно-технологическая деятельность:
готовностью внедрять результаты разработок в производство биомедицинской и экологической техники (ПК-13);
готовностью организовывать метрологическое обеспечение производства деталей, компонентов и узлов биотехнических систем, биомедицинской и экологической техники (ПК-16).
научно-исследовательская деятельность:
способностью осуществлять сбор и анализ медико-биологической и научно-технической информации, обобщать отечественный и зарубежный опыт в сфере биотехнических систем и технологий, проводить анализ патентной литературы (ПК-18);
способностью выполнять эксперименты и интерпретировать результаты по проверке корректности и эффективности решений (ПК-19);
готовностью к участию в проведении медико-биологических, экологических и научно-технических исследований с применением технических средств, информационных технологий и методов обработки результатов (ПК-20);
готовностью формировать презентации, научно-технические отчеты по результатам выполненной работы, оформлять результаты исследований в виде статей и докладов на научно-технических конференциях (ПК-21).
организационно-управленческая деятельность:
способностью организовывать работу малых групп исполнителей (ПК-23);
готовностью участвовать в разработке организационно-технической документации (графиков работ, инструкций, планов, смет) и установленной отчетности по утвержденным формам (ПК-24).
монтажно-наладочная деятельность:
способностью владеть правилами и методами монтажа, настройки и регулировки узлов биотехнических систем, в том числе связанных с включением человека-оператора в контур управления биомедицинской и экологической электронной техники (ПК-27);
способностью проводить поверку, наладку и регулировку оборудования, настройку программных средств, используемых для разработки, производства и настройки биомедицинской и экологической техники (ПК-28).
сервисно-эксплуатационная деятельность:
способностью владеть средствами эксплуатации медицинских баз данных, экспертных и мониторинговых систем (ПК-30);
способностью разрабатывать инструкции по эксплуатации используемого технического оборудования и программного обеспечения для персонала биомедицинских и экологических лабораторий (ПК-32).
Структура и содержание дисциплины Содержание разделов дисциплиныРаздел 1. Кристаллическое строение материалов.
Лекция.
Классификация материалов. Кристаллическое строение металлов и сплавов. Дефекты кристаллического строения. Диффузия в металлах и сплавах. Механические свойства.
Лабораторная работа 1. Испытание материалов на растяжение.
Лабораторная работа 2. Определение твердости металлов и сплавов.
Раздел 2. Деформация и разрушение. Формирование структуры при кристаллизации.
Лекция 1. Упругая и пластическая деформация. Пластическая деформация моно - и поликристаллов. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов. Явление наклепа. Разрушение металлов.
Лабораторная работа 3. Пластическая деформация, наклеп и рекристаллизация.
Лекция 2. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация. Строение металлического слитка. Выращивание монокристаллов из расплава, из растворов и из газовой фазы. Аморфные металлические сплавы.
Лабораторная работа 4. Кристаллизация, ее влияние на структуру и свойства. Испытание материалов на ударную вязкость.
Раздел 3. Влияние химического состава на структуру и свойства. Термическая обработка.
Лекция 1. Диаграммы состояния сплавов с полной растворимостью и нерастворимостью компонентов в твердом состоянии. Диаграмма состояния «железо-цементит». Классификация и маркировка углеродистых сталей.
Лабораторная работа 5. Микроструктуры сталей и чугунов.
Лекция 2. Превращения при нагревании стали, образование аустенита. Мартенситное, бейнитное, перлитное превращения при охлаждении стали и их особенности. Виды термической обработки стали.
Лабораторная работа 6. Закалка углеродистой стали. Отпуск закаленной углеродистой стали.
Раздел 4. Материалы с особыми механическими свойствами.
Лекция. Классификация. Износостойкие стали, пружинные стали, стали устойчивые к воздействию температуры и агрессивных сред. Инструментальные и штамповые стали.
Раздел 5. Материалы с особыми физическими свойствами.
Лекция 1. Основные физико-химические и механические свойства конструкционных материалов для применений в биологии и медицине. Проблема совместимости биологических и технических материалов.
Лекция 2. Материалы высокой проводимости. Материалы высокого сопротивления. Магнитные материалы. Низко - и высокочастотные магнитомягкие материалы. Магнитотвердые материалы.
Раздел 6. Цветные металлы и сплавы.
Лекция. Медь и ее сплавы. Алюминий и его сплавы. Титан и его сплавы. Свойства и применение в медицине. Эффект памяти формы.
Лабораторная работа 7. Медные сплавы.
Лабораторная работа 8. Термическая обработка дуралюмина.
Раздел 7. Полимеры и пластмассы.
Лекция. Строение, основные свойства и классификация полимерных материалов. Термопласты и реактопласты. Применение полимеров в биологически активных системах. Пластмассы для имплантатов.
Раздел 8. Керамические и композиционные материалы.
Лекция. Композиционные материалы. Общие сведения, классификация. Материалы для изготовления искусственных клапанов сердца. Керамика. Биокерамика. Стекла. Стеклокерамические биоматериалы.
Лабораторная работа 9. Технология изготовления пористой биокерамики.
Структура дисциплины по разделам, формам организации и контроля обучения.
Таблица 2
Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Итого | Формы текущего контроля и аттестации | |||
№ | Лекции | Практ. работы | Лабор. работы | ||||
1 | Кристаллическое строение материалов | 2 | 4 | 4 | 10 | Отчеты по лаб. работам | |
2 | Деформация и разрушение Формирование структуры при кристаллизации | 4 | 4 | 4 | 12 | Отчеты по лаб. работам | |
3 | Влияние химического состава на структуру и свойства Термическая обработка | 4 | 4 | 4 | 12 | Отчеты по лаб. работам | |
4 | Материалы с особыми механическими свойствами | 2 | 2 | 2 | 6 | Конспект | |
Конструкционные материалы (разделы 1-4) | 40 | Контрольная работа | |||||
5 | Материалы с особыми физическими свойствами | 4 | 2 | 2 | 8 | Конспект | |
6 | Цветные металлы и сплавы | 4 | 2 | 4 | 6 | 16 | Отчеты по лаб. работам |
7 | Полимеры и пластмассы | 3 | 2 | 2 | 7 | Конспект | |
8 | Керамические и композиционные материалы | 4 | 1 | 2 | 2 | 9 | Отчеты по лаб. работам |
Промежуточная аттестация | 10 | 10 | Презентация рефератов | ||||
Биоматериалы (разделы 5-8) | 50 | Контрольная работа | |||||
Итого | 27 | 9 | 18 | 36 | 90 | Экзамен |
При сдаче отчетов и письменных работ проводится устное собеседование.
Распределение компетенций по разделам дисциплиныРаспределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3.
№ | Формируемые компетенции | Разделы дисциплины | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
З.1.2 | х | х | х | х | х | х | х | х |
З.1.3 | х | х | х | х | х | х | х | х |
З.3.2 | х | х | х | х | х | |||
З.5.1 | х | х | х | х | х | |||
З.5.2 | х | х | х | х | х | |||
У.1.1 | х | х | х | х | х | |||
У.1.2 | х | х | х | х | х | |||
У.3.1 | х | х | х | х | х | |||
У.5.2 | х | х | х | х | х | |||
В.1.1 | х | х | х | |||||
В.1.2 | х | х | х | |||||
В.3.1 | х | х | х | х | ||||
В.4.2 | х | х | х | |||||
В.5.1 | х | х | ||||||
В.6.2 | х | х | х |
Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности бакалавров для достижения запланированных результатов обучения и формирования компетенций.
Методы и формы активизации деятельности | Виды учебной деятельности | |||
ЛК | Семинар | ЛБ | СРС | |
IT-методы | х | х | х | |
Работа в команде | х | х | ||
Игра | х | |||
Методы проблемного обучения | х | х | ||
Обучение на основе опыта | х | х | х | х |
Опережающая самостоятельная работа | х | |||
Поисковый метод | х | х | х | |
Исследовательский метод | х | х | х |
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
- изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с использованием компьютерных технологий; самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы; закрепление теоретического материала при проведении лабораторных работ с использованием учебного и научного оборудования и приборов, выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)
6.1. Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
- работе с лекционным материалом; работе по поиску и анализу литературы и электронных источников информации по выбранной теме реферата; переводе материалов из иностранных информационных ресурсов; изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку; подготовке к выполнению лабораторных работ;
– подготовке к рубежному контролю и к экзамену.
6.1.1. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
– приборы и расходные материалы для подготовки проб с целью структурных металлографических исследований;
– методики и реактивы для химического и электрохимического травления и полирования образцов;
– стандарты для проведения механических испытаний и их требования к оборудованию, образцам и условиям проведения испытаний;
– специальные методики определения физико-химических характеристик материалов и изделий.
6.2. Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР), ориентированая на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала студентов заключается в:
– поиске, анализе, структурировании и презентации информации по выбранной теме реферата;
- выполнении расчетно-графических работ;
– исследовательской работе и участии в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.
6.3. Примеры индивидуальных заданий для подготовки презентации:
1. Алмаз – полупроводниковый материал будущего?
2. Композиты: соединение «несоединимого».
3. Углерод в технике.
6. 4. Контроль самостоятельной работы
Вопросы по темам, выносимым на самостоятельную проработку, обязательно включаются в материалы рубежного и итогового контроля.
Индивидуальные задания оцениваются студентами и преподавателем в часы обязательных консультаций.
6.5. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
1. Электронное учебное пособие «Материаловедение» в среде “ToolBook”, объем 250 Мб. Авторы ,
Пособие содержит теоретический материал по основным разделам курса, иллюстрированный фотографиями, рисунками, анимационными и видеофрагментами. В каждом разделе приводится 20 тестов для самопроверки усвоения; имеется словарь терминов.
3. Конспект лекций на индивидуальном сайте преподавателя.
4. Сборники методических указаний к лабораторным работам по дисциплине, размещенные на сайте кафедры МТМ.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости бакалавров осуществляется по результатам:
– экспресс-контроля (в форме тестов) усвоения нового материала в ходе чтения лекций;
– входного контроля подготовки к лабораторным работам в форме тестов;
– защиты лабораторных работ путем устного собеседования;
– анализа подготовленных индивидуальных рефератов;
– рубежного контроля, выполняемого в форме компьютерного тестирования или письменных работ;
– презентации индивидуального реферата или участия в НИРС, в олимпиадах и т. п.;
– итогового контроля – экзамен в форме устного ответа на вопросы билета по всем изученным разделам дисциплины. В процессе итогового контроля обязательно присутствует коммуникативная составляющая.
На кафедре имеются все необходимые по дисциплине контрольные задания, тесты, тренажеры, программы компьютерного тестирования.
Оценка уровня знаний и умений студента проводится в соответствии с рейтинг-планом по дисциплине и «Памяткой студента» (Приложение 1).
Образцы контролирующих материалов приводятся.
7.1. Примеры контролирующих материалов по входному контролю перед лабораторной работой
От чего зависит закаливаемость стали?
– температуры нагрева;
– содержания легирующих элементов в стали;
– содержания углерода в твердом растворе;
– скорости охлаждения в процессе закалки.
7.2. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Экзаменационные билеты включают три типа заданий:
Теоретический вопрос. Проблемный вопрос или расчетная задача. Творческое проблемно-ориентированное задание.7.2.1 Примеры экзаменационных вопросов
Охарактеризовать основные методы исследования и испытания материалов в машиностроении. Как выглядит диаграмма состояния сплавов, упрочняемых закалкой и старением? Каким образом оценить качество полученного от поставщиков режущего инструмента, если одна партия изготовлена по обычной технологии, а другая – с использованием упрочняющих покрытий? Какой инструмент прослужит дольше и экономически выгоден?
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
Основная литература
, , Биомедицинское материаловедение. М.: Горячая линия-Телеком. 2006. – 383 с. , , Стоматологическое материаловедение. М.: МЕДпресс-информ. 2006. – 384 с. Полимеры медико-биологического назначения. Академкнига. 2006. – 400 с.Вспомогательная литература
Электроды для измерения биоэлектрических потенциалов. М.: Изд-во МТГУ им. Баумана. 2006. – 223 с. , Металловедение и технология конструкционных материалов. М.: Высшая школа. 2004. – 519 с. , Материаловедение. СПб.: Химиздат. 2004. – 736 с.Интернет-ресурсы:
Информационно-образовательная среда дистанционного обучения на платформе WebCT: адрес http://e-el. lcg. tpu. ru
http://window. edu. ru
http://www. newlibrary. ru/genre/nauka/biologija/page0/ http://www. materialscience. ru/
http://
http://www. /
http://medvuz. info/load
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
При изучении основных разделов дисциплины и выполнении лабораторных работ студенты используют оборудование для механических испытаний, оптические микроскопы, в том числе с системой визуализации, термические печи с приборами для регулирования температуры, пневматический молот. Компьютеры используются для проведения рубежного контроля и подготовки методических материалов. Сложное и дорогостоящее оборудование используется для демонстрации возможностей различных видов анализа в материаловедении и современных технологических процессов.
Перечень учебно-лабораторного оборудования
1. Твердомеры Бринелля ТШ-2, Роквелла ТК-2 и Виккерса 11 шт.
2. Микротвердомер ПМТ-3 2 шт.
3. Испытательная машина МИРИ-100К 1 шт.
4. Маятниковый копер 2 шт.
5. Микроскопы биологические 5 шт.
6. Микроскопы металлографические Obzerver A1m,
Axiovert 40 MAT, МИМ-7, МИМ-8 9 шт.
7. Металлографический инвертированный микроскоп ЛабоМет-И 5 шт.
8. Микроскопный комплекс на базе ЛабоМет-И с системой
визуализации 1 шт.
9. Электропечи камерные лабораторные 14 шт.
10. Молот пневматический ковочный МА4129 1 шт.
11. Закалочно-плавильная высокочастотная установка ВУГ 2-100 1 шт.
12. Учебно-исследовательский комплекс для создания моделей
быстрого прототипирования и отливки изделий методом
вакуумно-пленочной формовки 1 шт.
13. Дифрактометры рентгеновские ДРОН-2 и ДРОН-3М 2 шт.
14. Растровый электронный микроскоп РЭМ-200 1 шт.
15. Инфракрасный пирометр TPT-90 (Швеция) 1 шт.
15. Оптико-эмиссионный спектрометр PMI-Master 1 шт.
16. Компьютеры IBM 14 шт.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС-2010 по направлению подготовки «Биотехнические системы и технологии», профилю подготовки «Биотехнические и медицинские аппараты и системы».
Программа одобрена на заседании
кафедры МТМ (протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).
Автор:
